PDC鉆頭破巖機理的研究

劉杰 黃立新 董佳靈 丁子昊 王建寬

摘? 要： 在PDC生產技術的不斷發展和突破下，PDC鉆頭已廣泛應用于國內外石油勘探和巖心鉆探領域中，PDC鉆頭適應層越來越廣，但是理論研究與工程實踐之間還存在著明顯的差距。文章建立了圍壓下的PDC單齒破巖的力學模型，對圍壓作用下鉆頭鉆進過程進行了力學分析，并重新定義了鉆頭切削體積及切削效率。切削齒的切削效率與切削深度、后傾角、切削齒直徑及切削齒所受合力等參數有關，其中，PDC切削齒的尺寸和后傾角對鉆頭破巖效率都有顯著影響。

關鍵詞： PDC鉆頭; 圍壓; 力學模型; 破巖效率

中圖分類號：TE921? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2019）06-05-04

Abstract： With the continuous development and breakthrough of PDC production technology， PDC bits have been widely used in petroleum exploration and core drilling at home and abroad. PDC bits have more and more suitable layers， but there is still a clear gap between theoretical research and engineering practice. In this paper， the mechanical model of PDC single tooth rock breaking under confining pressure is established， the drilling process under confining pressure is analyzed mechanically， and the cutting volume and cutting efficiency of the bit are redefined. Cutting efficiency of cutting teeth is related to cutting depth， back inclination angle， diameter of cutting teeth and resultant force of cutting teeth. Among them， the size and back inclination angle of PDC cutting teeth have significant influence on rock breaking efficiency of bit.

Key words： PDC bit; confining pressure; mechanical model; rock breaking efficiency

0 引言

PDC鉆頭具有鉆速高、穩定性好、設計靈活等優點，在勘探中得到了廣泛的應用以及油氣開發過程[1]。隨著油氣勘探逐漸向深層推進，低滲透率和高能耗成為影響鉆井效率的主要因素。除了地層適應性和鉆井參數外，PDC鉆頭的結構也是直接影響深部地層的重要因素[2]。鉆頭是鉆探過程中主要的破碎工具，項目能否進展順利，與鉆頭的質量和性能密不可分。因此，開發先進的鉆具來提高鉆頭的鉆進效率和使用壽命，具有非常重要的經濟效益。

本文對PDC鉆頭的破巖機理進行了研究，進一步擴展PDC鉆頭的應用范圍，以了解鉆井過程中PDC鉆井的影響因素和規律，從而利用并掌握它們。為PDC鉆頭的設計和應用做了很好的鋪墊，同時也為破巖理論的研究提供借鑒意義。

1 PDC鉆頭破巖的數值模擬理論

PDC鉆頭[3-4]是一類新型的鉆井工具，是聚晶金剛石復合片鉆頭的簡稱，是地質鉆探行業常用的一種鉆孔工具。切削齒由人造聚晶金剛石材料制成并用來進行切割巖石，在鉆入中硬地層時，它通常與井下機器一起使用，具有良好耐磨性和自銳性的PDC作為切削齒，可以在低鉆壓下實現更高的鉆速、使用壽命更長以及良好的綜合效益。由于各種優點，PDC鉆頭已廣泛應用于石油勘探、天然氣勘探等領域中，而且PDC鉆頭的總進尺已遠遠領先其他類型鉆頭。

1.1 PDC鉆頭結構

圖1為PDC鉆頭的實物圖。PDC鉆頭是用PDC鑲焊在鉆頭胎體上而制成的一種切削型鉆頭，PDC鉆頭主要由鉆頭體、切削齒、噴嘴、測量表面和接頭等組成。

1.2 PDC鉆頭的破巖機理

鉆頭與巖石相互作用機理的研究是鉆井工程破巖理論研究的熱點[5]。根據巖石的性質可知，巖石的抗壓強度最高，其次是抗剪強度，抗拉強度最低，故剪切破巖效率較高，剪切破巖較為明顯。傳統的刮刀鉆頭也稱切削鉆頭，但其硬質合金切削刃具有較大的支撐面且不耐磨，因此鉆頭磨損嚴重。采用先進的工程方法，切削鉆頭為PDC鉆頭，由于鉆頭的聚晶金剛石層非常薄（約0.5mm）且硬，耐磨性比硬質合金基體高100倍，因此剪切切削巖石時，齒刃具有良好的自銳性，鉆頭處施加扭矩，齒刃部位的金剛石層能夠始終以尖銳的狀態切入巖石，從而達到破碎巖石的目的，也正是基于其具有低剪切強度的特點。PDC鉆頭破巖方式與所鉆地層的巖石性質有關。

2 圍壓作用下PDC單齒的破巖分析

圍壓作用下單齒切削模型

在圍壓[6-7]條件下，巖石具有某些機械特性，鉆進時會傳遞給鉆頭，為了研究圍壓下PDC鉆頭的破巖機理，可進行分析。

在許多文獻中，在純剪切的情況下鉆頭下部會產生鋸齒狀、條狀，因此該部分在此基礎上建模。在整個破巖過程中，剪切面始終存在，假設作用于切削條上的法向力是由圍壓和剪切面積產生的，與巖石孔隙壓力無關，切削齒在圍壓的作用下與巖石接觸產生各種力，其中包括剪切力、切削力和摩擦力等，如圖2所示為鉆頭切削巖石模型圖。